CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
AMANDA FABRIN
USO DE BANCO DE DADOS COM APLICAÇÕES DE CORRELAÇÕES PARA A ESTIMATIVA DE PARÂMETROS
GEOTÉCNICOS DE ARGILAS MOLES DE FLORIANÓPOLIS/SC
Florianópolis 2017
USO DE BANCO DE DADOS COM APLICAÇÕES DE CORRELAÇÕES PARA A ESTIMATIVA DE PARÂMETROS
GEOTÉCNICOS DE ARGILAS MOLES DE FLORIANÓPOLIS/SC
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado no curso de Engenharia Civil, na Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Orientador:
Rafael Augusto dos Reis Higashi, Dr. Co-orientadora: Doutoranda Gisele Marilha Pereira Reginatto.
Florianópolis 2017
Catalogação na fonte pela Biblioteca Universitária da
USO DE BANCO DE DADOS COM APLICAÇÕES DE CORRELAÇÕES PARA A ESTIMATIVA DE PARÂMETROS
GEOTÉCNICOS DE ARGILAS MOLES DE FLORIANÓPOLIS/SC
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheira Civil ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC.
Florianópolis, 23 de Junho de 2017. Prof. ª Luciana Rohde, Dra.
Coordenadora do Curso de Engenharia Civil - UFSC Banca Examinadora:
À Roseli, Lauren e José Ricardo Fabrin
O desenvolvimento deste trabalho demandou tempo e dedicação e chegar até aqui é uma conquista que divido com todos que, de alguma forma, me ajudaram nesse processo. A esses, minha eterna gratidão.
Primeiramente, sou grata a Deus por todas as oportunidades e pela capacidade a mim concedida. Agradeço por Ele colocar pessoas tão generosas no meu caminho e por ser minha força.
Agradeço de coração a meu pai e a minha mãe que além de todo o amor, suporte e por acreditarem em mim, fizeram tudo o que estava a seu alcance para tornar esse tempo mais leve e agradável. Agradeço por todo o esforço dedicado a mim. Agradeço também a minha irmã, por se alegrar tanto pelas minhas conquistas.
Ao professor Rafael Augusto dos Reis Higashi, que me aceitou como orientanda e me propôs este tema. Obrigada pela oportunidade e pela paciência.
À doutoranda Gisele Marilha Pereira Reginatto, por ter dedicado seu tempo, por ter me ensinado e me auxiliado durante o desenvolvimento do trabalho.
Ao pessoal do Laboratório de Mecânica dos Solos, com quem dividi muitas tardes e que sempre me ajudou com disposição, em especial a doutoranda Ângela Grando e a mestranda Cândida Bernardi. Muito obrigada por toda ajuda!
Meus agradecimentos também aqueles que
indiretamente fizeram parte deste trabalho, me ouvindo e me motivando, meus amigos queridos, obrigada.
“You are never too old to set another goal or to dream a new dream.”
Este trabalho refere-se à elaboração de equações de correlação entre parâmetros de compressibilidade de argilas moles do litoral de Santa Catarina para a previsão de recalques que auxiliarão no desenvolvimento de anteprojetos de fundações diretas, sem que haja a necessidade de ensaios. O objetivo da pesquisa foi elaborar um banco de dados contendo os parâmetros de compressibilidade das argilas moles do litoral de Catarinense, tais como o índice de vazios, o teor de umidade, o índice de compressão, o NSPT médio, a razão de compressão, o coeficiente de adensamento, o limite de liquidez, o índice de plasticidade, o peso específico, a tensão de pré adensamento e a razão de pré adensamento, e, com base nesse banco de dados, desenvolver equações de correlação entre os parâmetros, para que assim seja calculado o provável recalque, sem que sejam realizados ensaios complexos e onerosos no solo. As equações de correlação tiveram o uso limitado, sendo aceitas somente as equações com r² superior a 0,5. Para demonstrar a aplicabilidade das correlações, foi estimado o recalque para pontos de sondagem SPT da cidade de Florianópolis, em função de uma sapata tipo, com base quadrada de 1,5 metros e carga aplicada igual a 40 kN.
Palavras-chave: Banco de dados, parâmetros de
Figura 1 Fases do solo e esquema de pesos e volumes ... 30
Figura 2 - Correlação de peso específico para solos coesivos ... 36
Figura 3 - Variação da consistência dos solos com a umidade ... 40
Figura 4 Analogia do sistema mecânico água mola proposto por Terzaghi . 46 Figura 5 – Representação esquemática da célula de adensamento ... 48
Figura 6 Curva de compressibilidade típica das argilas ... 49
Figura 7 – Determinação do Cc, Cr e Cd ... 50
Figura 8 Explicação do método de Casagrande. ... 52
Figura 9 Explicação do método de Pacheco e Silva ... 53
Figura 10 – Localização do Estado de Santa Catarina no mapa do Brasil .. 63
Figura 11 – Regiões do Estado de Santa Catarina ... 64
Figura 12 – Separação do super continente Gondwana ... 65
Figura 13 – Principais fatores de influência na variação do nível do mar ... 67
Figura 14 – Mapa geológico de Santa Catarina ... 69
Figura 15 – Legenda do mapa geológico de Santa Catarina ... 69
Figura 16 – Pedologia da Região ... 71
Figura 17 – Fluxograma do trabalho ... 73
Figura 18 – Representação do bulbo de tensões ... 76
Figura 19 – Bulbo de tensões da sapata tipo ... 82
Figura 20 – Modelo genérico das camadas de solo sob a sapata ... 85
Figura 21 – Modelo apenas camadas de argila ... 86
Figura 22 – Modelo argila sobre areia com duas camadas de areia ... 86
Figura 23 – Modelo argila sobre areia com duas camadas de argila ... 87
Figura 24 – Modelo areia sobre argila com duas camadas de argila ... 87
Figura 25 – Modelo areia sobre argila com duas camadas de areia ... 88
Figura 26 – Variação dos valores de e encontrados para a zona Sul, Leste, Norte e Florianópolis ... 89
Figura 27 - Variação dos valores de Cc encontrados para a zona Sul, Leste, Norte e Florianópolis ... 90
Figura 28 - Variação dos valores de CR encontrados para a zona Sul, Leste, Norte e Florianópolis ... 91
Figura 29 –Comparação entre as equações (65), (66), e (107) ... 93
Figura 30- Gráfico da equação (98) ... 94
Figura 31 - Gráfico da equação (101) ... 95
Figura 32 – Comparação entre as equações (38), (42) e (98) ... 96
Figura 33 – Gráfico da equação (106) ... 97
Figura 34 - Gráfico da equação (117) ... 97
Figura 35 – Gráfico da equação (101) ... 98
Figura 36 – Gráfico da equação (112) ... 98
Figura 37 – Localização dos pontos de SPT selecionados no Mapa geotécnico do município de Florianópolis ... 100
Tabela 1 - Peso específico de solos argilosos (Godoy, 1972) ... 35
Tabela 2 – Correlações com índices físicos ... 39
Tabela 3 – Classificação qualitativa do índice de plasticidade ... 41
Tabela 4 – Consistência das argilas em função do índice de consistência .. 42
Tabela 5 - Correlações com os limites de Atterberg ... 43
Tabela 6: Parâmetros de compressibilidade dos solos moles costeiros de Santa Catarina Fonte:Modificado de Higashi (2006) ... 58
Tabela 7 – Classes de solos e seus respectivos símbolos ... 72
Tabela 8 – Fatores de capacidade de carga ... 78
Tabela 9 – Fatores de forma de Terzaghi-Peck ... 79
Tabela 10 – Valores da base da sapata (B) em função do NSPT ... 80
Tabela 11 – Peso específico de solos arenosos ... 84
Tabela 12 – Equações de correlação entre os dados do banco de dados .... 92
Tabela 13 – Equações de correlação entre os dados do banco de dados com r² superior a 0,5 ... 94
Tabela 14 – Textura das camadas dos pontos de sondagem ... 102
Tabela 15 – Pontos NSPT selecionados do banco de dados do Laboratório de Mapeamentos Geotécnico da UFSC ... 104
Tabela 16 – Quantidade de sondagens SPT em cada unidade geotécnica 105 Tabela 17 – Valores para NSPT crítico para argilas e areias, γargila, γdrenate, Zargila, Zdrenante, Zw e H. Fonte: Elaborado pelo autor. ... 107
Abreviaturas
C Cambissolo
CPTu Cone penetration test
LAMGEO Laboratório de Mapeamento Geotécnico da UFSC Nspt Número de golpes necessários à cravação dos últimos 30 cm
do amostrador
N72 Número de golpes com base no padrão brasileiro
NA Normalmente adensado
PA Pré-adensado
PV Podzólico Vermelho-Amarelo
SIG Sistema de Informações Geográficas SPT Standard penetration test
UFSC Universidade Federal de Santa Catarina
Alfabeto Latino
A Área da base da sapata tipo ... [m²] Ar Grau de aeração ... [%] B Dimensão lateral da base da sapata tipo ... [m] c Coesão ... [kPa] c* Coesão reduzida pelo fator de redução ... [kPa]
Cc Índice de compressão ... [Adimensional]
CR Razão de compressão ... [Adimensional] Cv Coeficiente de adensamento ... [cm².s-1]
eo Índice de vazios inicial da amostra... [Adimensional]
e Índice de vazios ... [Adimensional] Fs Fator de segurança global ... [Adimensional] Gs Peso específico relativo dos sólidos ... [Adimensional] H Espessura da camada de solo a sofrer adensamento ... [m] h Altura de embutimento ... [m] hw Altura da coluna de água ... [m]
Ka Coeficiente de permeabilidade do solo ... [Adimensional]
IC Índice de consistência ... [Adimensional] IP Índice de plasticidade ... [Adimensional] LL Limite de liquidez ... [Adimensional] LP Limite de plasticidade ... [Adimensional] M1 Massa do solo úmido no método do picnômetro ... [Kg]
M2 Massa do solo úmido mais água destilada no método do picnômetro ... [Kg] M3 Massa do picnômetro cheio de água destilada no método do picnômetro ... [Kg] n Porosidade ... [%] N Carga aplicada na sapata ... [kN] P Peso total da amostra de solo ... [Kg] Ps Peso das partículas sólidas ... [Kg]
Sr Grau de Saturação ... [%] u Poropressão ... [kN.m-2] V Volume total da amostra de solo ... [m³] Vo Volume inicial ... [m³]
V1 Volume final ... [m³]
Va Volume de ar ... [m³]
Vs Volume das partículas sólidas ... [m³]
Vv Volume de vazios ... [m³] Vvo Volume de vazios inicial ... [m³] Vv1 Volume de vazios final ... [m³] Vw Volume de água ... [m³]
z Profundidade do bulbo de tensão ... [m] zareia Espessura da camada de areia ... [m]
zargila Espessura da camada de argila ... [m]
w Teor de umidade ... [%] wn Teor de umidade natural ... [%]
Alfabeto Grego
γ Peso específico ... [kN·m-3] γareia Peso específico da camada de areia ... [kN·m-3]
γargila Peso específico da camada de argila ... [kN·m-3]
γd Peso específico aparente seco ... [kN·m-3]
γnat Peso específico do solo natural ... [kN·m-3]
γs Peso específico as partículas sólidas ... [kN·m-3]
γsat Peso específico do solo saturado ... [kN·m-3]
γsub Peso específico submerso ... [kN·m-3]
γw Peso específico da água ... [kN·m-3]
δ Densidade relativa dos grão ... [Adimensional] δg Densidade real dos grãos ... [kg.m-³] δT Densidade da água ... [kg.m-³]
Δe Variação do índice de vazios ... [%] σ’r Tensão de ruptura ... [kN.m-2]
σ’p Pressão de pré-adensamento ... [kN.m-2]
σ’i Tensão normal do solo ... [kN.m-2]
1 INTRODUÇÃO ... 25 1.1 OBJETIVO ... 26 1.1.1 OBJETIVO GERAL ... 26 1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 26 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 27 2.1 EQUAÇÕES DE CORRELAÇÃO ... 27 2.1.1 CONCEITOS ... 27
2.2 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DO SOLO ... 29
2.2.1 ÍNDICES FÍSICOS ... 29
2.2.2 LIMITES DE ATTERBERG ... 40
2.3 CARACTERÍSTICAS DE COMPRESSIBILIDADE ... 44 2.3.1 ADENSAMENTO ... 44
2.3.2 ENSAIO DE ADENSAMENTO UNIDIMENSIONAL ... 48
2.4 RECALQUE ... 54
2.5 ESTUDOS EM SOLOS MOLES NO LITORAL CATARINENSE ... 55 3 REGIÕES DE ESTUDO ... 63
3.1 ÁREA DE ESTUDOS ... 63
3.1.1 GEOLOGIA ... 65
3.1.2 PEDOLOGIA ... 70
4 MATERIAIS E MÉTODOSS ... 73
4.1 LEVANTAMENTO DE DADOS PREEXISTENTES ... 73
4.2 ELABORAÇÃO DO BANCO DE DADOS ... 74
4.3 DESENVOLVIMENTO DE EQUAÇÕES DE CORRELAÇÃO ... 74
4.4 IDENTIFICAÇÃO DOS PONTOS DE SONDAGEM A SEREM ANALISADOS ... 75
4.5 CÁLCULO DO RECALQUE ... 82
5 ResULTADOS E DISCUSSÕES ... 89
5.1 BANCO DE DADOS ... 89
5.2 EQUAÇÕES DE CORRELAÇÃO ... 91
5.2.1 EQUAÇÕES DE CORRELAÇÃO ELABORADAS... 91
5.3 SONDAGEM SPT ... 99
5.4 ESTIMATIVA DO RECALQUE ... 106 6 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ... 109
6.1 CONCLUSÕES ... 109
6.2 RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 109 REFERÊNCIAS ... 111 ANEXOS ... 116
1
INTRODUÇÃONo estado de Santa Catarina, principalmente nas regiões litorâneas, há a ocorrência de um tipo de solo denominado argilas moles, cujas características de resistência ao cisalhamento e compressibilidade são desfavoráveis ao seu uso como base para fundações. Por muito tempo foi evitado o uso desse solo para esse fim. Entretanto, visto a expansão urbana e a consequente necessidade de se aproveitar ao máximo o território, com o avanço dos estudos e da tecnologia, essa realidade vem sendo modificada.
Existem inúmeras soluções geotécnicas que podem ser empregadas na estabilização das áreas que apresentam argilas moles, viabilizando, desta forma, a construção de obras de engenharia sobre esses solos. A viabilidade da solução e o seu correto dimensionamento dependem especialmente da disponibilidade e da qualidade das informações acerca do subsolo, sendo imprescindível o seu conhecimento e o seu entendimento. Logo, são de grande relevância pesquisas que caracterizam as argilas moles com o intuito de compreender o seu comportamento, relacionando, por exemplo, as suas propriedades físicas, de resistência e de compressibilidade.
A presente pesquisa objetiva caracterizar em termos de recalque as argilas moles presentes em determinadas unidades geotécnicas sedimentares do município de
Florianópolis/SC, a partir de parâmetros de
compressibilidade determinados por equações de
correlação. Essas equações serão geradas com base em parâmetros geotécnicos já determinados em solos da região litorânea do estado de Santa Catarina (organizados em um banco de dados), relacionando dados de ensaios mais complexos àqueles obtidos em ensaios simples e de baixo custo. Com isso, além da caracterização dos solos, serão disponibilizadas informações que auxiliarão na elaboração de anteprojetos de fundações superficiais sobre argilas moles da região em estudo.
1.1 Objetivo
1.1.1 Objetivo geral
Caracterizar as argilas moles e muito moles presentes em unidades geotécnicas sedimentares do município de Florianópolis em função do recalque a partir de equações de correlação.
1.1.2 Objetivos específicos
Elaborar um banco de dados de parâmetros geotécnicos de argilas moles e muito moles da região costeira do Estado de Santa Catarina, enfatizando o município de Florianópolis;
Com base no banco de dados desenvolver equações de correlação que resultem na determinação de parâmetros necessários ao cálculo do recalque (Cc e e); Comparar as equações geradas neste estudo com
aquelas propostas por outros autores;
Identificar no município de Florianópolis, a partir de sondagens SPT, os pontos que serão analisados neste estudo;
Estimar os recalques de alguns depósitos
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICANo presente capítulo serão apresentados conceitos que serviram de base para a elaboração e desenvolvimento desse estudo, tais como: equações de correlação, índices físicos, limites de Atterberg, o princípio das tensões efetivas e
compressibilidade. Além disso, são apresentados
parâmetros de argilas moles de depósitos da região litorânea catarinense. Todas as equações apresentadas neste capítulo serão também apresentadas no Anexo 1.
2.1 Equações de correlação
2.1.1 Conceitos
Em diversos casos, criar relações entre uma ou mais variáveis se mostra bastante útil e a matemática apresenta ferramentas para isso, como por exemplo as correlações (CORREA, 2003). As correlações podem ser lineares ou não lineares, mas neste trabalho será abordado apenas as correlações lineares.
Segundo o mesmo autor, a correlação linear é uma correlação em que o gráfico seja aproximadamente uma linha, conhecida como linha de tendência, pois tende a acompanhar a tendência de distribuição dos pontos.
Em seu livro, Spiegel (1985) explica que se todos os pontos caírem próximos à uma reta em um diagrama de dispersão mostrando a localização dos pontos (X,Y) em um sistema de coordenadas retangulares, haverá uma correlação chamada de linear. O autor explica também que se a coordenada Y tende a crescer com a diminuição de X, existe uma correlação direta, caso contrário, será denominada correlação indireta.
Existe um parâmetro, que avalia o quanto há, de fato, correlação entre as variáveis, conhecido como coeficiente de correlação (r), equação (1), o qual é definido por Morettin e Bussad (2012) como sendo uma medida do grau de associação entre duas variáveis e da proximidade dos dados a reta.
𝒓 = √∑(𝒀𝒆𝒔𝒕−𝒀)²
∑(𝒀−𝒀)² (1)
Onde Yest são os valores de Y correspondentes a X obtidos através da equação da reta, equação (2); 𝑌 é a média dos valores de Y; e Y é o valor da coordenada do ponto.
𝑌 = 𝑎𝑜+ 𝑎1𝑋 (2)
Onde ao e a1 são os coeficientes da equação.
O valor de r está compreendido no intervalo de -1 a 1 e valores próximos a zero indicam que não há uma correlação linear entre as variáveis, enquanto valores próximos a 1 e -1 indicam que há correlação linear entre as variáveis (SPIEGEL, 1985).
Assim como o r, o r², o coeficiente de determinação, também é um parâmetro que avalia o quão precisa é a correlação linear. Assim, a equação (3) define a variação total de Y, onde as variáveis são as mesmas da equação (1), e o primeiro termo recebe o nome de variação não explicada e o segundo de variação explicada, pois o primeiro se comporta de maneira imprevisível, enquanto o segundo segue um padrão. (SPIEGEL, 1985)
∑(𝑌 − 𝑌)² = ∑ 𝑌 − 𝑌𝑒𝑠𝑡)² = (𝑌𝑒𝑠𝑡− 𝑌)² (3)
Então, segundo Spiegel (1985), o r² recebe apenas valores positivos no intervalo de zero a 1, sendo zero quando a variação explicada for nula, igual a 1 quando a variação não explicada for nula e entre zero e 1 nos demais casos.
Para Viali (2016), o r² significa a porcentagem que a variação explicada representa da variação total. Ele ainda afirma que se o r² for igual a 1, todos os pontos do diagrama de dispersão estarão sobre a reta da regressão, ou seja, 100% das variações de Y são explicadas pelas variações de X e não há desvios em torno da função.
Higashi (2006) cita Karunaprema e Edirisingh (2005), que desenvolveram sua pesquisa utilizando solo argilo-siltoso, e que dizem que quanto mais elevado for o valor do
r², melhor, e seu valor é considerado aceitável quando for maior 0,5.
Este trabalho busca correlações entre índice de vazios (e) e índice de compressão (Cc) com outros parâmetros do solo, tais quais limite de liquidez (LL), peso específico (γ) e outros, com base nos parâmetros encontrados em estudos dos solos argilosos moles de Santa Catarina.
2.2 Características físicas do solo
2.2.1 Índices físicos
Ortigão (1995) define solo, na visão do engenheiro civil, como sendo o conjunto de partículas oriundas da decomposição das rochas, com a característica de ser facilmente escavado sem que haja a necessidade de explosivos. Ainda, segundo esse autor, o uso do solo é bastante difundido como material de construção ou como suporte para estruturas.
Caputo (1998) menciona que o solo é formado por um conjunto de partículas sólidas que apresentam espaços vazios entre si, os quais poderão estar totalmente ou parcialmente preenchidos por água. De acordo com Pinto (1998) o solo é composto por um conjunto de três fases: água (ou outro líquido), ar e partículas sólidas, sendo que, dentro desse conjunto, o ar e água representam os vazios.
Segundo Pinto (2000), o comportamento dos solos está intimamente ligado a quantidade relativa de cada uma das três fases (sólida, líquida e gasosa) que o compõem. A relação entre elas, em função do peso e do volume, define uma série de índices que identificam o estado do solo. É importante salientar que as propriedades dos solos dependem do estado em que o mesmo se encontra. Esses índices são denominados de índices físicos.
A Figura 1 apresenta de forma esquemática as três fases que normalmente compõem o solo e a representação dos seus respectivos pesos e volumes.
Figura 1 Fases do solo e esquema de pesos e volumes
Fonte: Modificado de Pinto (2000)
De acordo com a Figura 1, observa-se que o peso total (P) e o volume total (V) do solo são determinados, respectivamente, pelas equações (4) e (5), considerando que o peso do ar seja desprezível.
𝑃 = 𝑃𝑠+ 𝑃𝑤 (4)
Onde P é o peso total da amostra de solo, 𝑃𝑠 é o peso dos sólidos e 𝑃𝑤 é o peso da água contida no solo.
𝑉 = 𝑉𝑠+ 𝑉𝑉 (5)
Onde V é o volume total da amostra de solo, 𝑉𝑠 é o volume de sólidos e 𝑉𝑉 é o volume de vazios.
Observa-se que 𝑉𝑉 é igual a soma do volume de água (𝑉𝑤) e do volume de ar (𝑉𝑎), sedo que, o 𝑉𝑤 pode ser determinado dividindo-se o 𝑃𝑤 pelo peso específico da água (𝛾𝑤). Considerando o 𝛾𝑤 igual 1𝑔/𝑐𝑚³, o 𝑃𝑤 tem o mesmo valor que o 𝑉𝑤.
A partir dessas relações, outras equações são propostas para determinar outros índices físicos,
imprescindíveis na caracterização das amostras de solo, sendo esses:
Peso específico natural (𝛾𝑛𝑎𝑡) em N/m³;
Densidade real dos grãos ou partículas sólidas (δg) em kg/m³;
Densidade relativa dos grãos ou partículas sólidas (δ), adimensional;
Índice de vazios (e) em %; Teor de umidade (w) em %; Porosidade (n) em %;
Grau de Saturação (Sr) em %; Grau de Aeração (Ar) em %;
Peso específico aparente seco (𝛾𝑑) em N/m³;
Peso específico dos grãos ou partículas sólidas (𝛾𝑠) em N/m³;
Peso específico saturado (𝛾𝑠𝑎𝑡) em N/m³; Peso específico submerso (𝛾𝑠𝑢𝑏) em N/m³.
Dentre os índices físicos mencionados, o teor de umidade, o peso específico natural e a densidade real dos grãos são índices de fácil determinação a partir de ensaios de campo e/ou de laboratório.
Para a determinação do w de um solo em laboratório utiliza-se a equação (6). Onde, basta identificar o peso de uma amostra deformada no seu estado natural, o P, e, na sequência, determinar o seu peso seco, esse obtido após secagem em estufa à temperatura de 105°C a 110°C. Neste ensaio, a amostra deve ser acondicionada de forma a não perder umidade até chegar ao laboratório. Além desse método, denominado de método da estufa e regido pela norma NBR 6457/2016, outros também podem ser utilizados na determinação da umidade natural do solo, tais como o Speedy Test, o método da frigideira, do álcool e do micro-ondas.
𝑤 =(𝑃−𝑃𝑠)
𝑃𝑠 ×100 (6)
𝑤 =𝑃𝑤
𝑃𝑠 (7)
O peso específico natural (γnat) do solo (expresso pela equação 8) pode ser determinado a partir do ensaio de campo denominado de método do cilindro, normatizado pela NBR 09813/1987. Esse método consiste na cravação de um molde cilíndrico, com peso e dimensões conhecidas, no solo. O volume total do solo é igual ao volume interno do molde e o seu peso total é determinado pesando-se a amostra de solo mais o molde e subtraindo-se o peso do molde.
𝛾𝑛𝑎𝑡=𝑃
𝑉 (8)
A densidade real das partículas sólidas (δg) (expressa pela equação 9) é obtida através do método do picnômetro, de acordo com a NBR 6508/1984. O método consiste em ensaiar o equivalente a 50g de solo, para solos argilosos. Na equação (9), essa massa corresponde ao M1 (massa do solo úmido). Na sequência, pesa-se o conjunto picnômetro, amostra de solo (M1) e água destilada e determina-se o M2, isso após imersão da amostra de solo em água destiladapor no mínimo 12 horas e após o material ter passado pelo copo de dispersão e ter sido submetido ao vácuo. O M3 representa a massa do picnômetro cheio de água destilada. Na determinação do M2 e do M3 deve-se verificar a temperatura, uma vez que, a densidade da água (δT) é função da temperatura do ensaio.
Para a determinação da δg, deve-se ainda determinar a umidade da amostra pelo método da estufa.
𝛿𝑔 = 𝑀1×[ 100 (100+𝑤)] [𝑀1×(100+𝑤)100 ]+𝑀3−𝑀2
×𝛿𝑇 (9)
Pinto (2000) sugere a obtenção indireta de índices físicos cuja determinação a partir de ensaios não é simples, relacionando aqueles expressos nas equações de (4) a (9). Sendo assim, de acordo com Das (2013) o 𝑃𝑠 pode ser
determinado conforme a equação (10), a partir do valor de w, isolando o Pw na equação (7) e substituindo-o na equação (4). Esses mesmo autores, também propõem as equações apresentadas a seguir (equação 11 a 23).
𝑃𝑠= 𝑃
1+𝑤 (10)
Também é possível determinar o VS através da equação (11).
𝑉𝑠= 𝑉
1+𝑒 (11)
Onde 𝑒 é o índice de vazios.
O índice de vazios, por sua vez, que expressa a relação entre o volume de vazios e o volume das partículas sólidas, como mostra a equação (12), também pode ser obtido por meio da porosidade (equação 13), e através da umidade, peso específico aparente seco, peso específico da água e peso específico das partículas sólidas, como mostram as equações (14) e (15). 𝑒 =𝑉𝑉 𝑉𝑠 (12) 𝑒 = 𝑛 1+𝑛 (13) 𝑒 =𝛾𝑑 𝛾𝑤×𝑤 (14) 𝑒 =𝛾𝑠 𝛾𝑑− 1 (15)
O 𝑒 indica quantas vezes o Vv é superior ou inferior ao Vs. Como o 𝑉𝑠 não é variável, esse índice é função do Vv. Seu valor, segundo Pinto (2000), para solos argilosos pode variar entre 0,5 e 1,5, podendo ser superior a 3 para argilas orgânicas.
A porosidade (n) é semelhante ao 𝑒, entretanto, representa a relação entre o Vv e o V (equação 16). Segundo
Pinto (2000), os valores de porosidade normalmente estão entre 30 e 70%, isso para todos os tipos de solo.
𝑛 =𝑉𝑉
𝑉 (16)
De forma análoga à equação (13), a porosidade pode ser determinada através do índice de vazios, conforme apresentado na equação (17).
𝑛 = 𝑒
1+𝑒 (17)
O grau de saturação do solo (Sr) relaciona o Vw e o Vv, conforme a equação (18). Esse índice varia entre 0 e 100%, indicando respectivamente, um solo seco e um solo saturado.
𝑆𝑟 =𝑉𝑤
𝑉𝑣 (18)
O grau de aeração (Ar) pode ser obtido em função do Sr, através da equação (19).
𝐴𝑟= 1 − 𝑆𝑟 (19)
Da mesma forma que a δg, o peso específico das partículas sólidas (𝛾𝑠), relaciona o peso das partículas (Ps) e o seu volume (Vs), conforme apresentado na equação (20).
𝛾𝑠=𝑃𝑠
𝑉𝑠 (20)
Por sua vez, a densidade relativa das partículas (δ) é calculada em função do 𝛾𝑠 e do 𝛾𝑤 (equação 21). Considerando que o 𝛾𝑤 é igual a 1 g/cm3 obtém-se que 𝛿 é igual ao 𝛾𝑠.
𝛿 =𝛾𝑠
O 𝛾𝑛𝑎𝑡 também pode ser determinado de maneira indireta, relacionando outros índices físicos (equações 22 e 23), ou então relacionando dados obtidos em sondagens do tipo Standard Penetration Test (SPT). Godoy (1972 apud Cintra et al., 2011), sugere valores de 𝛾𝑛𝑎𝑡 a partir do índice de resistência à penetração (NSPT), conforme apresentado na Tabela 1. 𝛾𝑛𝑎𝑡= 𝑃𝑠×(1+𝑤) 𝑉 (22) 𝛾𝑛𝑎𝑡=𝛾𝑠(1+𝑤) 1+𝑒 (23)
Tabela 1 - Peso específico de solos argilosos (Godoy, 1972)
NSPT Consistência Peso Específico
(kN/m³) ≤2 Muito mole 13 3-5 Mole 15 6-10 Média 17 11-19 Rija 19 ≥20 Dura 21
Fonte: Cintra et al. (2011)
Além disso, Berberian (2001) propõe o ábaco apresentado na Figura 2, onde, a partir dos valores de N72 e
w, obtém-se o γ para solos coesivos. O N72 é obtido através
da equação (24) e é uma correção típica dos solos brasileiros com 72% de eficiência (CUNDA, (2009). Segundo Berberian (2001), “o N72 é o número médio de golpes para uma penetração de 30 cm com eficiência aproximada de 72% dentro da camada de apoio da fundação, abaixo da base”.
𝑁72= 10 +(𝑁𝑆𝑃𝑇−10)
Figura 2 - Correlação de peso específico para solos coesivos
Fonte: Grando (2015)
Por sua vez, o peso específico aparente seco (𝛾𝑑), que representa o peso do solo sem água nos vazios, pode ser determinado segundo as equações (25), (26) e (27) (DAS, 2003). 𝛾𝑑= 𝑃𝑠 𝑉 (25) 𝛾𝑑=𝛾𝑛𝑎𝑡 1+𝑤 (26) 𝛾𝑑= 𝛾𝑠 1+𝑒 (27)
O peso específico saturado (𝛾𝑠𝑎𝑡), que representa o peso do solo com os vazios cheios de água e onde o Sr é igual a 100%, pode ser determinado através da equação (28), (29) e (30) (DAS, 2013).
𝛾𝑠𝑎𝑡= 𝛿+𝑒
𝛾𝑠𝑎𝑡= 𝛾𝑑+ ( 𝑒
1+𝑒)×𝛾𝑤 (29)
𝛾𝑠𝑎𝑡= 𝛾𝑑+ 𝑛𝛾𝑤 (30)
A partir da determinação do 𝛾𝑠𝑎𝑡, calcula-se o peso específico submerso (𝛾𝑠𝑢𝑏) do solo (equação 31), que representa o peso específicos dos solos sujeitos ao empuxo hidrostático.
𝛾𝑠𝑢𝑏= 𝛾𝑠𝑎𝑡− 𝛾𝑤 (31)
Destaca-se que, além de caracterizar os solos, com o auxílio dos índices físicos é possível obter informações sobre
determinadas propriedades de resistência e de
compressibilidade dos mesmos, a partir de equações de correlação. Neste contexto, autores propõem equações que relacionam os índices físicos com parâmetros de compressibilidade. Andrade (2009) propõe a determinação do coeficiente de adensamento (Cv) através da equação (32) e Higashi (2006) a razão de compressão (CR) a partir da equação (33). Das (2013) cita Rendon-Herrero (1983) na determinação do coeficiente de compressão (Cc) a partir da equação (34). Salienta-se que, o Cc, Cv e CR serão elucidadas no item 2.3.2.
𝐶𝑣=𝐾𝑧(1+𝑒)
𝑎𝑣𝛾𝑤 (32)
Onde 𝐾𝑧 é o coeficiente de permeabilidade vertical do solo e 𝑎𝑣 é o coeficiente de compressibilidade vertical do solo.
𝐶𝑅 = 𝐶𝑐 1+𝑒 (33) 𝐶𝑐 = 0,141×𝐺𝑆1,2(1+𝑒𝑜 𝐺𝑆 ) 2,38 (34) A equação (34) foi formulada a partir da observação de várias argilas naturais, sendo o 𝐺𝑆 igual ao peso específico relativo dos sólidos (δg). O δg foi determinado através de
ensaios e segundo Rendon-Herrero, (1983 apud DAS, 2013) varia entre 2,6 e 2,9 para argilas.
Para o Cc, Park e Koumoto (2004) sugeriram a equação (35).
𝐶𝑐 = 𝑛𝑜
371,747−4,27𝑛𝑜 (35)
Onde 𝑛𝑜 é a porosidade in situ.
Em relação ao Cc e ao CR, outras equações de correlação são apresentadas na Tabela 2.
Tabela 2 – Correlações com índices físicos
Wn
Autores/ Local r² Equações
Drösemeyer e Müller (1999) SC 0,80 𝐶𝑐 = 0,00169𝑤𝑛− 0,4056 (36) 0,58 𝐶𝑅 = 0,0028𝑤𝑛+ 0,0495 (37) 0,99 𝑒𝑜= 0,026𝑤𝑛+ 0,0496 (38) Hallal (2003) RS 0,63 𝐶𝑐 = 0,00136𝑤𝑛− 0,0081 (39) Coutinho et al. (2001) PE 0,52 𝐶𝑐 = 0,004𝑤0,54 (40) 𝑛+ 1,738 ± Higashi (2006) SC 0,99 𝐶𝑐 = 0,0095𝑤𝑛+ 0,0905 (41) 0,92 𝑒𝑜= 0,0236𝑤𝑛+ 0,0496 (42) Nishida (1956 apud Das,
2013) - 𝐶𝐶 = 1,15𝑤𝑛 (43)* 1 Rendon-Herrero (1980 apud Das, 2013) - 𝐶𝑐 = 0,0115𝑤𝑛 (44)* 2 Dia e Kerstner (2003 apud Hihashi 2006) 0,75 𝐶𝑐 = 0,012𝑤(45) 𝑛+ 0,2553 eo Drösemeyer e Müller (1999) SC 0,89 𝐶𝑐 = 0,6447𝑒(46) 𝑜− 0,4201 Coutinho et al. (2001) PE 0,84 𝐶𝑐 = 0,586𝑒0,25 (47) 𝑜− 0,165 ± Hallal (2003) RS 0,83 𝐶𝑐 = 0,6903𝑒𝑜− 0,3197 (48) Higashi (2006) SC 0,91 𝐶𝑐 = 0,3821𝑒𝑜− 0,21 (49)
Hough (1957 apud Das,
2013) - 𝐶𝐶 = 0,30(𝑒(50)*𝑜3− 0,27) Rendon-Herrero (1980 apud Das, 2013) - 𝐶𝑐 = 0,156𝑒(51)*𝑜+ 0,0107 1 Vargas (1978 apud Teixeira e Godoy, 1998) - 𝐶𝑐 = 0,33×(𝑒(52)*4𝑜− 0,2) Dia e Kerstner (2003
apud Hihashi 2006) 0,89 Cc = 0,8538×e(53) o− 0,479 𝛾𝑤, 𝛾𝑠 Herrero (1980 apud
Ortigão, 1995) - 𝐶𝑐 = 0,5(𝛾𝑤×𝛾𝑠
−1)2,4 (54) *1 Valores para todas as argilas.
*2 Valores para solos orgânicos, turfas, silte orgânico e argila *3 Valores para solo coesivo inorgânico: silte, argila siltosa e
*4 Valores para argilas siltosas Observação: 𝑒𝑜 e 𝑤𝑛 são valores in situ
Fonte: Modificado Grando (2015)
2.2.2 Limites de Atterberg
Também conhecidos como índices de consistência, os limites de Atterberg são parâmetros para a caracterização dos solos de granulometria fina (argilas e siltes). Esses limites foram propostos inicialmente por Atterberg no ano de 1991 e mais tarde, em 1932, adaptados por Casagrande. (PINTO, 1998).
Os limites de Atterberg são valores de umidade que indicam a mudança de estado de um solo fino, de líquido para plástico, de plástico para quebradiço (ou semissólido) e de quebradiço para quebradiço com volume constante (ou sólido), sendo esses, respectivamente, o limite de liquidez (LL), o limite de plasticidade (LP) e o limite de contração (LC), conforme apresentado no esquema da Figura 3 (PINTO, 1998).
Figura 3 - Variação da consistência dos solos com a umidade
Fonte: Pinto (1998)
Conforme citado por Das (2013), esses limites diferenciam as argilas quanto ao seu comportamento em função de diferentes teores de umidade. Higashi (2014) salienta que é possível observar a mudança no
comportamento das argilas adicionando água gradativamente a uma amostra de solo fino seco, onde são observadas variações nas características de moldagem do solo. Segundo Pinto (1998), para argilas orgânicas da baixada litorânea, os valores típicos de LL e LP são 120 e 60, respectivamente.
A partir dos limites de Atterberg, LL e LP, é possível determinar o índice de plasticidade (IP), como indicado na equação (55). O LL e o IP são utilizados na classificação dos solos finos e o IP indica o intervalo de umidade no qual o solo apresentará comportamento plástico (PINTO, 1998).
𝐼𝑃 = 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 (55)
De acordo com Burmister (1949 apud DAS, 2013), os solos podem ser classificados de maneira qualitativa em função do IP, conforme apresentado na Tabela 3.
Tabela 3 – Classificação qualitativa do índice de plasticidade
IP Descrição 0 Não plástico 1-5 Ligeiramente plástico 5-10 Plasticidade baixa 10-20 Plásticidade média 20-40 Plasticidade alta
>40 Plasticidade muito alta
Fonte: Das (2013)
Outro índice comumente utilizado na classificação dos solos finos é o índice de consistência (IC), proposto por Terzaghi, cuja determinação segue a equação (56) (PINTO, 2000).
𝐼𝐶 = 𝐿𝐿−𝑤
𝐿𝐿−𝐿𝑃 (56)
A Tabela 4 apresenta as classes de consistência das argilas em função do IC, sendo esse índice válido apenas para as argilas saturadas.
Tabela 4 – Consistência das argilas em função do índice de consistência
Consistência Índice de Consistência
Mole <0,5
Média 0,5 a 0,75
Rija 0,75 a 1,0
Dura >1,0
Fonte: Pinto (2000)
A determinação do LL é feita com a utilização do aparelho de Casagrande, seguindo as premissas da NBR 6459/1984. O LP, por sua vez, é determinado de acordo com a NBR 7180/1984. Tratam-se de dois ensaios comumente utilizados na mecânica dos solos, cuja execução é mais simples e menos onerosa que a de um ensaio de adensamento unidimensional, por exemplo. Sendo assim, autores como Terzaghi e Peck (1948 apud PINTO, 1998) buscaram a relação entre os limites de Atterberg e o Cc, conforme apresentado nas equações (57) e (58), aplicadas para solos remoldados e indeformados, respectivamente.
𝐶𝑐 = 0,007×(𝐿𝐿 − 10) (57)
𝐶𝑐 = 0,009×(𝐿𝐿 − 10) (58)
Teixeira e Godoy (1998) propuseram a equação (59) para estimar o índice de compressão de argilas orgânicas do canal localizado entre Florianópolis e o continente.
𝐶𝑐 = 0,009×(𝐿𝐿 + 21) (59)
A Tabela 5 apresenta outras equações de correlação para a determinação do Cc, a partir de valores de LL e IP, propostas por diversos autores.
Tabela 5 - Correlações com os limites de Atterberg
Autores/ Local r² Equações
LL
Terzaghi e Peck (1967) - 𝐶𝑐 = 0,009𝐿𝐿 − 0,09 (60) Ortigão (1975) RJ - 𝐶𝑐 = 0,013𝐿𝐿 − 0,234 (61) Costa Filho et al. (1985)
RJ 0,57 𝐶𝑐 = 0,0213𝐿𝐿 − 0,852 ±0,48 (62) 0,79 𝐶𝑐 = 0,013𝐿𝐿 − 0,143 ±0,21 (63) Teixeira e Godoy (1998) SC - 𝐶𝑐 = 0,009(𝐿𝐿 + 21) (64) Drösemeyer e Müller (1999) SC 0,54 𝐶𝑐 = 0,0324𝐿𝐿 − 0,88031 (65) Higashi (2006) SC 0,90 𝐶𝑐 = 0,0237𝐿𝐿 − 0,7679 (66) Moretti et al (2012) SP 0,55 𝐶𝑐 = 0,0073𝐿𝐿 + 0,1419 (67) Skempton (1944 apud Das, 2013) - 𝐶𝑐 = 0,007(𝐿𝐿 − 7) (68)*1 Rendon-Herrero (1980 apud Das, 2013) - 𝐶𝑐 = 0,0046(𝐿𝐿 − 9) (69)*2 Nagaraj e Murty (1985 apud Das, 2013) - 𝐶𝑐 = 0,2343 [ 𝐿𝐿(%) 100 ] 𝐺𝑆 (70)
Cam, Wroth e Wood (1978
apud Das, 2013) - 𝐶𝐶 ≈ 0,5𝐺𝑆 [𝐼𝑃(%)]
100 (71)
Dias e Kerstner (2003
apud Higashi, 2006) - Cc=0,0093(LL+20,2) (72) Dias (1979 apud Higashi
2006) - Cc=0,013(LL-18) (73) IP Moretti et al (2012) SP 0,73 𝜎′𝑝= 27,167 ln(𝐼𝑃) + 154,79 (74)*1 Kulhawy e Mayne (1990 apud Das, 2013) - 𝐶𝑐 ≈ 𝐼𝑃 74 (75) Kulhawy e Mayne (1990 apud Das, 2013) - 𝐶𝑐 ≈ 𝐼𝑃 370 (76) *1 Valores para argilas amolgadas.
*2 Valores para argilas brasileiras.
2.3 Características de compressibilidade
2.3.1 Adensamento
Sabendo-se que o solo pode sofrer deformações caso haja alguma tensão aplicada sobre ele, de acordo com Holtz e Kovacs (1973 apud BARAN, 2014), essas deformações ocorrem ou pela deformação das partículas do solo, ou pela compressão dos espaços vazios, que resulta na expulsão do ar e da água dos mesmos.
Quando é posto sobre o solo uma determinada estrutura, inicialmente, os carregamentos aplicados sobre o depósito são suportados pela água, o que gera a saída de água dos vazios. Com o passar do tempo, o carregamento vai sendo transferido para as partículas sólidas gradualmente. Isso gera um aumento da tensão efetiva até o ponto em que o solo esteja suportando toda a carga aplicada e para essa tensão tem-se um índice de vazios correspondente (PINTO, 1998). Esse processo é explicado pelo princípio das tensões efetivas
O princípio das tensões efetivas foi proposto por Terzaghi no ano de 1936 e publicado na Primeira Conferência Nacional de Mecânica dos Solos e Engenharia de Fundações (ANDRADE, 2009). Esse princípio é representado pela equação (77), que relaciona a tensão normal total devido ao peso próprio dos solos (σ), a parcela da tensão normal que se desenvolve no esqueleto granular do solo, denominada de tensão efetiva (σ’), e a poropressão (u) que representa a parcela da tensão total que se desenvolve na água presente nos vazios (PINTO, 1998).
𝜎′= 𝜎 − 𝑢 (77)
De acordo com Pinto (1998), quando o solo está seco, as tensões efetivas (σ’) correspondem às tensões totais (σ). Se o solo estiver úmido, como é o caso das argilas moles, por exemplo, além das σ’, existem também a poropressão (u). A poropressão é consequência do nível da água e cresce linearmente com a profundidade sem sofrer influência do
volume de vazios existente no solo. Ela pode ser determinada pela equação (78).
𝑢 = 𝛾𝑤×ℎ𝑤 (78)
Onde 𝛾𝑤 é o peso específico da água e ℎ𝑤 é a altura da coluna de água.
Pinto (1998) também explica que, considerando a superfície do terreno como aproximadamente horizontal, a tensão normal total devida ao peso próprio do solo (σ) é descrita pela equação (79), para solos secos. Para solos úmidos deve ser acrescentada a parcela referente a poropressão (equação 80).
𝜎 = 𝛾×𝑧𝑐𝑎𝑚𝑎𝑑𝑎 (79)
Onde γ é o peso específico da camada de solo e zcamada é a altura.
Aguiar (2008) ainda afirma que o processo de compressão de um solo saturado, que resulta na saída de uma certa quantidade de água, no decorrer do tempo, sendo essa quantidade igual à redução do volume de vazios, é denominado adensamento. Ainda segundo esse autor no adensamento ocorre a transferência do excesso de u para a σ’.
Em relação ao processo de adensamento, para o seu melhor entendimento, Terzaghi propôs uma analogia entre um sistema formado por solo saturado e um sistema mecânico água e mola (Figura 4).
Figura 4 Analogia do sistema mecânico água mola proposto por Terzaghi
Fonte: Espindola (2011)
Nessa analogia, Terzaghi considerou o solo como saturado (todos os vazios preenchidos por água), onde as suas partículas são representadas pela mola. Logo, observou, que no momento de aplicação da carga (instante inicial) a mesma é absorvida pela água, sendo aos poucos transferida para a mola, com velocidade igual a capacidade de um orifício de drenar a água (comparável a condutividade hidráulica do solo) (Espíndola, 2011).
Aguiar (2008) afirma que a teoria leva em consideração as seguintes hipóteses como verdadeiras:
O solo é homogêneo; O solo é saturado;
A compressibilidade da água é desprezível em relação a compressibilidade das partículas sólidas;
É desprezada a diferença entre as massas de solos de grandes e pequenas dimensões;
O princípio das tensões efetivas é válido; A lei de Darcy é válida;
O fluxo da água e a compressão são unidimensionais; Durante o adensamento, são desprezíveis as variações nas propriedades físico, mecânicas e hidráulicas dos solos, com exceção do índice de vazios;
Relação ideal entre o índice de vazios e tensões verticais;
Os deslocamentos e as deformações são pequenos quando comparados à espessura total da camada em adensamento.
Neste estudo, como serão analisados solos compostos por argilas de consistência mole a muito mole, é importante mencionar que, segundo Pinto (1998), esse tipo de solo tipicamente apresenta baixa permeabilidade, e, que a parcela relacionada a u é muito importante. Além disso, esse autor cita que nas argilas o índice de vazios é função da máxima tensão efetiva a que esse solo foi submetido.
Logo, em um depósito de argila (considerando que o mesmo é constituído por material homogêneo), a carga que atua sobre o mesmo vai influenciar no índice de vazios, fazendo com que ele decresça com a profundidade. Ainda, normalmente as argilas de consistência mole a muito mole encontram-se saturadas, sendo assim, há uma relação linear entre a umidade e o índice de vazios.
Tratando-se de argilas, seu comportamento pode ser classificado em três categorias:
Normalmente adensado (NA); Pré adensado (PA);
Em adensamento (SA).
A classificação do comportamento das argilas em NA, PA e SA é determinado a partir de valores do OCR (Over Consolidation Ratio) utilizando a equação (81). Nessa equação o OCR relaciona a razão de pré adensamento (𝜎′𝑝) a tensão efetiva (σ’) presente no solo
𝑂𝐶𝑅 =𝜎′𝑃
𝜎′ (80)
Então, quando o OCR for maior do que 1, o solo é classificado como pré-adensado; quando menor do que 1 em adensamento; e quando o igual a 1, como normalmente adensado.
Observa-se que, para determinar a 𝜎′𝑝, e
consequentemente o OCR, assim como outros parâmetros relacionados a compressibilidade dos solos, tem-se o ensaio de adensamento unidimensional, também conhecido como ensaio oedométrico, elucidado a seguir.
2.3.2 Ensaio de adensamento unidimensional
Segundo a NBR 12007/1990, o objetivo do ensaio unidimensional é determinar as propriedades de adensamento do solo, em solo confinado lateralmente, axialmente carregado e drenado, em termos de velocidade e magnitude de deformação.
De uma forma geral, segundo Aguiar (2008), a execução do ensaio de adensamento unidimensional consiste em aplicar sobre o corpo de prova confinado lateralmente, carregamentos axiais, permitindo a saída da água. O carregamento é realizado em etapas, ou seja, aplica-se sobre a amostra uma carga, a qual é mantida constante até o solo parar de adensar. Na sequência aplica-se então uma nova carga, e, assim por diante, até atingir o carregamento especificado.
Ortigão (1995) menciona que, para realizar o ensaio de adensamento unidimensional, é necessário um corpo de prova confinado lateralmente por um anel de aço e duas pedras porosas, as quais permitem a drenagem da água, conforme apresentado na Figura 5.
Figura 5 – Representação esquemática da célula de adensamento
Fonte: NBR 12007/1990
Na execução desse ensaio, é aplicada uma carga vertical, transmitida uniformemente à amostra através de uma placa rígida, sendo que, para que não haja perda de água a amostra no anel metálico encontra-se dentro de uma bacia de saturação (ORTIGÃO, 1995).
Espíndola (2011) menciona que no instante igual a zero (instante de aplicação da carga), pode-se observar no piezômetro (tubo de plástico transparente conectado à base da pedra porosa) o efeito da pressão atuante sobre a amostra. Ao longo do tempo o nível da água no piezômetro será nivelado ao da água sobre a amostra, representando a transferência da carga atuante para a estrutura do solo (conforme exposto no sistema massa-mola proposto por Terzaghi).
Através do ensaio de adensamento unidimensional, é possível traçar a curva de compressibilidade dos solos. A Figura 6 apresenta um exemplo de curva típica dos solos argilosos.
Figura 6 Curva de compressibilidade típica das argilas
Através da curva de compressibilidade é possível determinar os parâmetros de compressibilidade dos solos, tais como: o índice de compressão (Cc), o índice de
recompressão (Cr) e o índice de descarga (Cd), sendo esses determinados pelos coeficientes angulares expressos na equação (81).
𝐶𝑐, 𝐶𝑟, 𝐶𝑑 = 𝑒1−𝑒2
𝑙𝑜𝑔 𝑃2−𝑙𝑜𝑔𝑃1 (81)
Onde e1-e2 indica a variação do índice de vazios por unidade de pressão aplicada; Cc é o coeficiente angular da reta 2, Cr é o coeficiente angular da reta 1 e Cd é o coeficiente angular da reta 3. As retas 1, 2 e 3 são indicadas na curva de compressibilidade apresentada na Figura 7.
Figura 7 – Determinação do Cc, Cr e Cd
Outro parâmetro que é definido pela curva de compressibilidade é a tensão de pré adensamento (𝜎′𝑝) que, por definição, representa a maior carga já aplicada no solo durante toda a sua história geológica. A determinação desse
parâmetro pode ser feita através de dois métodos: método de Casagrande e método de Pacheco e Silva.
O método de Casagrande consiste em determinar a 𝜎′𝑝 da seguinte forma: inicialmente determina-se o ponto de curvatura máxima da curva, e a partir desse ponto são traçadas duas retas, uma tangente a curva e outra paralela ao eixo das tensões. Quando as duas retas estiverem traçadas, deve-se encontrar a bissetriz do ângulo formado por elas e então prolonga-se a reta virgem até que ela e a bissetriz se encontrem, como mostra a Figura 8, e esse será o valor da tensão de pré adensamento (ORTIGÃO, 2007).
Figura 8 Explicação do método de Casagrande.
Já no método de Pacheco e Silva, uma reta horizontal passando pelo índice de vazios inicial deve ser traçada e a reta virgem deve ser prolongada até que ela encontre a reta horizontal. Desse ponto de encontro, é traçada outra reta, dessa vez vertical e passante pela curva. Então, dessa ultima intersecção, outra reta horizontal deve ser traçada até que ela cruze o prolongamento da reta virgem, como mostra a Figura 9. (ORTIGÃO, 2007).
Figura 9 Explicação do método de Pacheco e Silva
Ainda, no ensaio de adensamento, é possível determinar o coeficiente de adensamento (Cv). Aguiar (2008) explica que esse parâmetro representa a velocidade em que ocorre o adensamento, havendo uma relação direta entre eles, ou seja, quanto maior for o valor de Cv, maior será a velocidade do processo de adensamento. Por sua vez, segundo Andrade (2009), o Cv descreve a capacidade do solo de dissipar o excesso de poropressão gerado pelo carregamento imposto. O Cv é descrito pela equação (32), que já foi apresentada no item 2.2.1.
2.4 Recalque
Como dito anteriormente, as argilas normalmente adensadas apresentam OCR=1, o que significa que a tensão atuante nelas é igual a maior tensão que já atuou na história geológica desse solo. Para esse tipo de argila, quando for aplicado um carregamento que gere derformação semelhante a oedométrica, a equação (82) é válida para a estimar o recalque causado pelo adensamento primário (ρ) (PINTO, 1998).
𝜌 = 𝐻× 𝐶𝑐 1+𝑒×𝑙𝑜𝑔
𝜎′𝑓
𝜎′𝑖 (82)
Onde H é a altura da camada de solo, Cc é o índice de compressão, e é o índice de vazios, 𝜎′𝑖 é a tensão efetiva inicial, gerada somente pelo peso do solo e 𝜎′𝑓 é a tensão efetiva final e equivale a 𝜎′𝑖 somado ao peso da carga aplicada sobre o solo.
Das (2014) explica a origem da equação (82) da seguinte maneira:
Sabe-se que a varição do volume ΔV é definida pela equação (83):
∆𝑉 = 𝐻×𝐴 − (𝐻 − 𝜌)×𝐴 = 𝜌×𝐴 (83)
Onde 𝐻 é a altura da camada de solo, A é a área transversal, ρ é o recalque e ∆𝑉 = 𝑉𝑜− 𝑉1, sendo 𝑉𝑜 o volume inicial e 𝑉1 o volume final. Além disso, a variação no volume total também é igual a variação no volume de vazios (∆𝑉𝑉), conforme a equação (84).
∆𝑉 = 𝜌×𝐴 = 𝑉𝑉0− 𝑉𝑉1 = ∆𝑉𝑉 (84)
Onde 𝑉𝑉𝑜 é o volume de vazios inicial e 𝑉𝑉1 é o volume de vazios final, e o volume de vazios é igual a multiplicação entre o índice de vazios e o volume de sólidos. Então, substituindo o volume de vazios na equação na equação (84) obtém-se a equação (85).
∆𝑉𝑉 = ∆𝑒×𝑉𝑆 (85) No entanto, 𝑉𝑆 também pode ser escrito em função de e e V (equação (11), como mostra a equação (86).
𝑉𝑆= 𝑉 1+𝑒=
𝐻×𝐴
1+𝑒 (86)
Onde H é a altura da camada do solo e A é área transversal.
Então, substituindo as equações (85) na (84) e a equação (86) na (85), obtém-se a equação (87).
∆𝑉 = 𝜌×𝐴 = ∆𝑒×𝑉𝑆 = 𝐻×𝐴 1 + e∆𝑒 𝜌 = 𝐻 ∆𝑒
1+𝑒 (87)
Onde o índice de vazios deve ser o índice de vazios in situ.
Das (2013) diz que para argilas normalmente adensadas com uma relação linear de e-log𝜎′, a equação (88) é válida.
∆𝑒 = 𝐶𝑐×[𝑙𝑜𝑔(𝜎′𝑜+ ∆𝜎′) − 𝑙𝑜𝑔𝜎′0] (88)
Onde Cc é o índice de compressão, (𝜎′𝑜+ ∆𝜎′) é a tensão final (tensão efetiva mais a tensão gerada pela carga aplicada) e 𝜎′𝑜 é a tensão efetiva inicial. A substituição da equação (88) na (87) resulta na equação (82), que estima o provável recalque nos solos de argilas normalmente adensadas.
2.5 Estudos em solos moles no litoral Catarinense
Os solos moles litorâneos do estado de Santa Catarina, foram formados na era geológica Cenozóica, portanto, tratam-se de depósitos de origem recente, ou seja, de Depósitos Quaternários (BARAN, 2014).
Os depósitos de argila mole desenvolvidos ao longo da costa do estado de Santa Catarina, tem sido objeto de diversos estudos. Santos (1997), a partir do mapa geotécnico da ilha de Santa Catarina, determinou através de ensaios, propriedades físicas, de resistência e de compressibilidade dos solos, dentre os quais destacam-se, nesse estudo, os sedimentares. Salienta-se que os parâmetros de compressibilidade foram determinados pelo ensaio de adensamento convencional.
Higashi (2006), em sua pesquisa, desenvolveu uma metodologia de uso e ocupação dos solos voltada para cidades costeiras, baseando-se no comportamento geotécnico e ambiental dos solos. Essa metodologia foi aplicada no município de Tubarão/SC, onde os parâmetros geotécnicos, de resistência e compressibilidade, foram determinados através do ensaio de adensamento e compressão triaxial.
Moura (2004) propõe-se a desenvolver um
equipamento para a realização do ensaio de adensamento com velocidade controlada que apresente a mesma confiabilidade que os ensaios tradicionais. Em seu estudo foram analisadas amostras de solo argiloso de Florianópolis/SC, oriundas do aterro hidráulico da Via Expressa Sul, próximo aos bairros Saco dos Limões e Costeira do Pirajubaé. E, de Joinville/SC, próximo a Baía da Babitonga.
Oliveira (2006) estuda o comportamento de aterros reforçados, executados sobre argila mole, levados à ruptura em regime de construção rápida. Seus estudos também foram realizados em solos argilosos do aterro da Via Expressa Sul, envolvendo ensaios de caracterização física dos solos, de adensamento, compressão triaxial e palheta, além de dados de sondagem do tipo Standard Penetration Test (SPT) e Cone Penetration Test (CPTu).
Espíndola (2011) analisa os parâmetros geotécnicos dos solos moles da obra de ampliação do Aeroporto Internacional Hercílio Luz, em Florianópolis/SC, utilizando dados de ensaios de caracterização física, ensaio da Palheta e de adensamento com deformação controlada (CRS).
Massocco (2013) determinou os parâmetros de resistência de solos moles presentes no município de Tubarão/SC para a implantação de uma rodovia.
Além dos autores mencionados, Baran (2014) ainda cita os trabalhos de Müller e Drösemeyer (1999), Drösemeyer et al. (2001), Carvalho (2000), Marque e Lacerda (2004), Chaves e Orsi (2007) e Telissari (2011), os quais determinaram parâmetros geotécnicos dos solos moles de Santa Catarina. A Tabela 6 apresenta os principais resultados encontrados, onde os valores de eo, wn e γn são valores in situ.
Tabela 6: Parâmetros de compressibilidade dos solos moles costeiros de Santa Catarina Fonte:Modificado de Higashi (2006)
3
REGIÕES DE ESTUDO 3.1 Área de estudosEste estudo aborda os solos sedimentares da região costeira do Estado de Santa Catarina, enfatizando aqueles do município de Florianópolis.
Segundo Potter et al. (2004), o Estado de Santa Catarina localiza-se na região Sul do Brasil, entre os paralelos 25º57’26’’ e 29º29’04’’ de latitude sul e os meridianos 48º21’39’’ e 53º50’15’’ de longitude oeste (Figura 10). Faz fronteira ao sul com o Estado do Rio Grande do Sul (RS), ao norte com o Estado do Paraná (PR), a oeste com a República Argentina e a leste com o Oceano Atlântico. Possui área de 95.913km², representando 1,11% da área total do Brasil e 16,61% da região Sul.
Figura 10 – Localização do Estado de Santa Catarina no mapa do Brasil
O Estado de Santa Catarina é composto pelas regiões norte, sul, leste, oeste, vale e planalto, conforme apresentado na Figura 11. Dentre essas, as regiões oeste e planalto não apresentam solos costeiros, logo não serão abordadas neste estudo.
Figura 11 – Regiões do Estado de Santa Catarina
Fonte: Infoescola (2017)
Sendo assim, neste estudo, dividiu-se o estado de SC em 4 regiões (ou zonas) de interesse, a saber:
Zona Sul: equivalente a região sul do Estado de Santa Catarina;
Zona Leste: equivalente a região leste,
desconsiderando o município de Florianópolis; Zona Florianópolis: cidade de Florianópolis;
Zona Norte: equivalente a porção litorânea das regiões norte e vale.
Conforme consta no banco de dados, na zona Sul foram obtidos parâmetros geotécnicos dos solos dos municípios de Tubarão e Capivari. Na zona leste, de Camboriú, Tijucas e de um trecho da BR-101. Na zona norte, de Joinville e Navegantes. E, do município de Florianópolis.
3.1.1 Geologia
O litoral de Santa Catarina, bem como todo o litoral brasileiro, é resultado da reativação pós-paleozóica, que, segundo Almeida e Carneiro (1987 apud TESSLER E GOYA, 2005), é o conjunto dos eventos relacionados a separação do continente Gondwana e eventos tectono-magmáticos que acompanharam essa separação. Nesses eventos, ocorreu a formação de bacias na margem continental atual pela extrusão do magma alcalino, e o posterior preenchimento das mesmas por sedimentos. A Figura 12 ilustra a abertura do Oceano Atlântico e a separação do continente Gondwana ao fim do período jurássico.
Figura 12 – Separação do super continente Gondwana
Fonte: Laboratório de Paleontologia da Amazônia (2017).
Às margens dos oceanos encontram-se as planícies costeiras, que, de acordo com Suguio (2003), são
“superfícies geomorfológicas deposicionais de baixo gradiente, formadas por sedimentação predominantemente subaquosa”. Essas planícies se originaram principalmente devido a glacioeustasia, que é a variação do nível do mar por fenômenos glaciais, onde houve a fase de expansão das geleiras, em que o mar encobriu os continentes e a fase de retração das geleiras, onde ocorreu a diminuição do volume de água sobre os continentes (SUGUIO, 2003).
Além da glacioeustasia, a Figura 13 apresenta outros fenômenos que também causaram variações no nível do mar, tais como: a tectonoeustasia (variação do nível do mar devido a movimentos crustais), fenômenos geoidais (causados pela mudança de distribuição dos níveis oceânicos), meteorológicos, efeitos da compactação ou assoreamento por sedimentos (SUGUIO, 2003).
Observa-se ainda que o nível relativo do mar é o nível do mar medido em relação a crosta terrestre. As mudanças do nível relativo do mar podem ser resultado tanto da eutasia, ou seja, por causas relacionadas a variações no volume das águas oceânicas, quanto por movimentos crustais, o quais estão ligados a alteração da real altitude da crosta terrestre. Tais alterações são causadas por movimentos tectônicos, como por exemplo, devido ao reequilíbrio das massas por flutuação crustal sobre o manto.
Figura 13 – Principais fatores de influência na variação do nível do mar
Fonte: Martin et al (1986 apud Suguio, 2003)
A geologia das planícies costeiras do estado de Santa Catarina, segundo Koerich et al. (1991), é classificada no domínio Cobertura Sedimentar Quaternária. É constituída por depósitos inconsolidados ou fracamente consolidados de areias, siltes e argilas. A Cobertura Sedimentar Quaternária também pode ser encontrada nos vales dos principais cursos d’água, próximos às encostas e ao longo de antigas lagunas. Dependendo da origem, a Cobertura Sedimentar Quaternária ainda pode ser classificada em: depósitos marinhos, aluvionares, lagunares, eólicos e coluvionares.
De acordo com Potter et al. (2004), os sedimentos síltico-argilosos e as areias finas quartzosas são componentes fundamentais das planícies costeiras e a presença de sambaquis, presentes ao longo de toda a costa, indica que houve um nível marinho mais elevado. Esse mesmo autor afirma que as planícies costeiras
compreendem áreas planas que podem estar sujeitas a inundações periódicas.
Os depósitos de argila desse domínio foram formados no período Quaternário, onde, segundo Massad (1988 apud Campos, 2006), houve dois ciclos de sedimentação. Esses ciclos estão relacionados com a mudança do nível relativo do mar, onde a elevação do nível relativo do mar causa deposição de sedimentos sobre a crosta terrestre e quando baixa nível, acontece a remoção dos sedimentos depositados.
Além da Cobertura Sedimentar Quaternária, outros quatro grandes domínios podem ser encontrados no Estado de Santa Catarina: Embasamento Cristalino, Coberturas
Vulcano-Sedimentares Eo-Paleozóicas, Cobertura
Sedimentar Gonduânica e Rochas efusivas, de acordo com Koerich et al. (1991). Dentre os domínios citados, no domínio Embasamento Cristalino são encontradas as rochas mais antigas. Os domínios Embasamento Cristalino, Coberturas Vulcano-sedimentares e Cobertura Sedimentar Quaternária são os domínios predominantes da porção leste do estado.
De acordo com Koerich et al. (1991), podem ser encontrados na porção centro-leste do estado xistos e filitos, na porção nordeste os granulitos, na sudeste os gnaisses e migmatitos e na leste os granitos, sendo todos esses parte do conjunto de rochas do Embasamento Cristalino.
O domínio Cobertura Vulcano-sedimentares Eo-Paleozóico, por sua vez, tem predominância de rochas sedimentares com metamorfismo incipiente, sendo essas rochas compostas por arenitos, siltitos, ardósias, conglomerados e filitos, os quais frequentemente estão associados a rochas vulcânicas extrusivas (KOERICH ET AL., 1991).
Os domínios presentes no estado de Santa Catarina são apresentados no mapa geológico da Figura 14.
Figura 14 – Mapa geológico de Santa Catarina
Fonte: Potter et al. (2004)
Figura 15 – Legenda do mapa geológico de Santa Catarina
3.1.2 Pedologia
Segundo o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) (2015), o litoral do Estado de Santa Catarina tem predominância de dois tipos de solos: os ARGISSOLOS (representados pelos Podzólicos Vermelho-Amarelo segundo a classificação antiga da EMBRAPA) e os CAMBISSOLOS ( predominantemente Cambissolo Háplico).
De acordo com o IBGE (2015), os Podzólicos Vermelho-Amarelo apresentam o horizonte B textural, onde há o acúmulo de argila. A profundidade desse tipo de solo é variável, podendo ser, usualmente, pouco profundos e profundos. Silva e Neto (2017), afirmam que tratam-se de solos que normalmente se desenvolvem a partir de rochas cristalinas ou sobre a influência destas. A presença de misturas de óxidos de ferro hematita e goethita dão a cor vermelha-amarelada para os solos dessa classe.
De acordo com IBGE (2015), os CAMBISSOLOS apresentam grandes variações em suas características, podendo ser desde rasos a profundos. São, em sua maioria, pedregosos, cascalhentos, podendo ser, inclusive rochosos. Possuem horizonte B incipiente. Além disso, Santos et al. (2017) afirmam que esse tipo de solo é geralmente encontrado em relevos fortes ondulados ou montanhosos, onde não há presença de horizonte A húmico.
Além do Cambissolo (C) e do Podzólico Vermelho-Amarelo (PV), de acordo Potter et al. (2004) ainda há a presença de solos orgânicos, Areias Quartzosas vermelho-amareladas e Cambissolo gleico e podzol. Verifica-se na Figura 16 e na Tabela 7, que no Estado de Santa Catarina ainda ocorrem solos do tipo Glei pouco húmico, Areia quartzosa marinha e solo salino indiscriminado costeiro, entre outros.
Os solos do tipo Glei correspondem às argilas moles e esse está distribuído por todo o território do Estado de Santa Catarina, com maior ocorrência próximo à costa. Esses são solos mal ou muito mal drenados, os quais apresentam elevada deformação e baixa resistência ao cisalhamento. Além disso, estudos sobre as argilas moles do estado apontam para um comportamento normalmente adensado desse solo. (HIGASHI, 2014)
Figura 16 – Pedologia da Região
Tabela 7 – Classes de solos e seus respectivos símbolos
